北方高寒地区非点源污染模拟研究

周 欣，雷兴元

(黑龙江农垦勘测设计研究院，哈尔滨 150090)



北方高寒地区非点源污染模拟研究

周 欣，雷兴元2

(黑龙江农垦勘测设计研究院，哈尔滨 150090)

受农业化肥过量施用及生活污水、有害气体过量排放的影响，大量污染物随降水扩散到流域不同的低洼地带，同时通过土壤的渗透作用扩散到地下，对地表及地下水资源造成了严重的污染，寒区由于冬季长达半年的特殊气候特点，冬季的污染物扩散速度减慢，这对污染物的随机性扩散模拟造成了很大的影响，文章采用运用美国农业部开发的SWAT模型及美国地质勘探局开发的LOADEST模型，通过对流域非点源污染负荷估算及建立完整的地理、土壤、土地利用、水文气象和农业数据库，对项目区农业非点源污染进行了模拟研究。模型模拟效果证明SWAT模型适用于北方高寒地区农业非点源污染模拟。

阿什河流域；SWAT模型；LOADEST模型；污染物模拟；空间分析

0 引 言

目前，世界各地受环境影响，许多河湖受到了不同程度的污染，造成了大量的财产损失和人员伤亡。非点源污染的发生具有广泛的随机性，其扩散主要依赖于降水，当降水发生时，随着坡面的倾斜角度向不同的方向流动，汇入不同的低洼地带，并随着土壤空隙深入到地下，高浓度污染时甚至会对地下水产生污染。SWAT模型(Soilandwaterassessmenttool)具有较强的物理机制，它能够利用遥感影像提供的空间信息模拟多种不同的水文物理化学过程[1]。SWAT模型是由美国农业部(UnitedStatesDepartmentofAgriculture，USDA)农业研究中心(AgriculturalResearchService，ARS)JEFFArnold等[2]开发的半分布式流域水文模型，模型在气候变化对区域水资源的影响、非点源污染、不同灌溉制度下对作物产量的影响中获得了广泛的应用[3]。多数学者对不同流域的污染物的迁移过程进行了模拟，但少有学者在高寒地区开展研究，本文利用LOADEST模型对污染物进行插值获得月污染物通量，进而采用SWAT对月污染物通量进行模拟，研究其在寒区非点源污染模拟中的适用性[4]。

1 研究区概况

阿什河流域全长51km，境内流域面积565km2，阿什河的干流河道实际长度为257km，直线长度为133km，弯曲系数1．93。其支流较多，流域汇集大、小支流79条，河道总长度为1277．86km，河网密度为0．36km/km2。

2 数据来源

土地利用数据采用美国马里兰大学土地覆被数据土壤数据采用世界和谐土壤数据库,高程数据采用中科院地理空间数据云90m数字高程数据。实测气象及降水数据采用阿什河流域及周边地区2个气象站与8个雨量站的逐日数据。流量采用距离研究区最近的阿城水文站2009年1月1日到2015年10月31日的日流量数据。水质数据采用项目区4个汇水口2014-2015年的总氮、总磷瞬时污染物浓度数据，通过LOADEST模型插值后计算得出月污染物浓度负荷，通过建立的SWAT模型对日流量及月污染物浓度负荷进行模拟[5]。汇水口的编号记为：H01、H02、H03、H04。

3 各污染物负荷回归方程的建立

本文基于LOADEST统计模型，采用连续的日流量数据和有限的、离散的水质数据，建立总氮和总磷污染物负荷回归方程，确定模型中各个水质参数回归方程中的相关参数，并进行回归检验分析。LOADEST模型的计算原理见图1，本研究采用2015年1月-2015年12月的LOADEST模型TN、TP估算结果进行项目区的污染物模拟，LOADEST模型估算结果见表1-2.

图1 LOADEST统计模型基本构成图

1月2月3月4月5月6月H01TNTP月负荷15.397027.669055.897097.7550338.1830278.774095%置Lower3.987011.691020.462031.5940106.821096.9170信区间Upper54.198059.3900169.8040234.7060493.5270462.7950月负荷1.69102.61703.79908.016018.036018.367095%置Lower0.36000.96001.68503.29005.37905.6970信区间Upper5.94007.69009.807019.181052.905051.2670H02TNTP月负荷30.697091.3077173.2807303.0405730.4753591.837295%置Lower4.465438.580363.432297.9414230.7334205.7548信区间Upper60.7018195.9870526.3924727.58861066.0183982.5138月负荷1.89398.636111.776924.849638.957838.993195%置Lower0.40323.16805.223510.199011.618612.0947信区间Upper6.652825.377030.401759.4611114.2748108.8398H03TNTP月负荷23.095531.985476.0199111.4407381.8086398.925695%置Lower5.980513.514827.828336.0172120.6009138.6882信区间Upper81.297068.6548230.9334267.5648557.1920662.2596月负荷2.53653.02535.16669.138220.362626.283295%置Lower0.54001.10982.29163.75066.07298.1524信区间Upper8.91008.889613.337521.866359.729773.3631H04TNTP月负荷12.163624.625446.953588.9571257.0191192.354195%置Lower3.149710.405017.188128.750581.184066.8727信区间Upper42.816452.8571142.6354213.5825375.0805319.3286月负荷1.33592.32913.19127.294613.707412.673295%置Lower0.28440.85441.41542.99394.08803.9309信区间Upper4.69266.84418.237917.454740.207835.3742

表2 2015年7-12月份项目区各月份污染物负荷

续表2 2015年7-12月份项目区各月份污染物负荷

4 SWAT模型的建立

土地利用是SWAT模型数据库建立的重要数据之一，其影响着降水在路面的流动过程，对水文过程模拟有重要影响，本文首先将DEM数据加载进arcswat软件中，设定最小汇水面积阈值为500km2，划分出37个子流域，并计算流域地形参数，采用最终划分的流域分水线提取出流域包含的土地利用数据。由于国内目前没有完整的不同土地利用数据参数，因此本文通过索引表建立土地利用数据与SWAT模型自带的landcover/plant土地利用数据库参数之间的联系，采用模型默认的参数。重分类后的呼兰河流域土地覆被对应的SWAT土地利用代码为WATR、FRSE、FRSD、FRST、HAY、PAST、AGRL、URHD。本文将土壤分为两层即0-30cm和30-100cm，土壤最大可压缩量SOL_CRK取为0.5，土壤层的有机碳含量采用土壤有机质含量乘以0.58，土壤各层的黏土含量、壤土含量、砂土含量及砾石含量可从HSWD数据库中获取，地表反射率设置为0.01，土壤最大可伸缩量取为1，土壤的湿容重SOL_BD、土壤的有效含水量SOL_AWC、饱和渗透系数SOL_K由SPAW软件计算出结果。

5 非点源污染模拟结果

研究区4个汇水口污染物模拟结果的相关性分析图见图2-9。从图中可以看出，非点源污染模拟效果较好，说明SWAT模型在高寒地区非点源污染模拟具有加好的适用性。

图2 H01汇水口TN模拟结果相关系数分布图

图3 H02汇水口TN模拟结果相关系数分布图

图4 H03汇水口TN模拟结果相关系数分布图

图5 H04汇水口TN模拟结果相关系数分布图

图6 H01汇水口TP模拟结果相关系数分布图

图7 H02汇水口TP模拟结果相关系数分布图

图8 H03汇水口TP模拟结果相关系数分布图

图9 H04汇水口TP模拟结果相关系数分布图

6 结 论

本文采用美国地质勘探局(UnitedStatesGeologicalSurvey，简称USGS)开发的LOADEST模型对瞬时污染物进行线性回归，从而获得月污染物数据，然后采用SWAT模型研究了其在北方高寒地区非点源污染模拟中的适用性，研究结果表现模拟效果较好，可将SWAT模型作为高寒地区非点源污染模拟的水文模型。

[1]陈军锋，陈秀万.SWAT模型的水量平衡及其在梭磨河流域的应用[J].北京大学学报：自然科学版,2004，40(02):265-270.

[2]庞靖鹏，徐宗学，刘昌明.SWAT模型研究应用进展[J].水土保持研究，2007，14(03): 31-35.

[3]唐莉华，林文婧，张思聪,等.基于SWAT模型的温榆河流域非点源污染模拟与分析[J].水力发电学报，2010，29(04):6-13.

[4]刘博，徐宗学.基于SWAT模型的北京沙河水库流域非点源污染模拟[J].农业工程学报，2011，27(05):52-61.

[5]李娜，盛虎，何成杰,等.基于统计模型LOADEST的宝象河污染物通量估算[J].应用基础与工程科学学报，2012，20(03):355-366.

1007-7596(2017)04-0019-04

2017-03-06

周欣(1980-)，女，辽宁岫岩人，高级工程师；雷兴元(1989-)，男，黑龙江青冈人，助理工程师。

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